CAPÍTULO 19
ÁCIDOS CARBOXÍLICOS
Los ácidos carboxílicos ocupan un lugar importante dentro de la química orgánica, dado que sirven para la construcción de derivados relacionados, como ésteres y amidas. También son importantes en la síntesis orgánica de muchas otras moléculas.
Algunos ejemplos importantes son el ácido cólico, uno de los principales componentes de la bilis humana, y los ácidos alifáticos de cadena larga como el ácido oleico y el ácido linoleico, precursores biológicos de grasas y otros lípidos. También se encuentran en la naturaleza muchos ácidos carboxílicos saturados simples. Por ejemplo, el ácido acético, CH3CO2H, es el principal componente orgánico del vinagre; el ácido butanoico, CH3CH2CH2CO2H, es el que da el olor a la mantequilla rancia, y el ácido hexanoico (ácido caproico), CH3(CH2)4CO2H, es la causa del inconfundible olor de las cabras y de los calcetines deportivos después de hacer ejercicios.
Ácidos carboxílicos: Estructura y Propiedades Físicas.
Cuando se une un grupo hidroxilo a un grupo carbonilo se forma un nuevo grupo funcional, el grupo carboxilo, dando lugar a los ácidos carboxílicos. Este nuevo grupo suele representarse como -COOH o -CO2H. Dado que el grupo funcional ácido carboxílico esta relacionado estructuralmente con las cetonas y con los alcoholes, podría esperarse ver algunas propiedades familiares a ellos. En efecto, los ácidos carboxílicos son similares a las cetonas y a los alcoholes en algunos aspectos, aunque también tienen grandes diferencias. Como en las cetonas, el carbono carboxílico tiene hibridación sp2, con ángulos de enlace de 120º aproximadamente. Al igual que los alcoholes, los ácidos carboxílicos están fuertemente asociados por puentes de hidrógeno entre las moléculas. Este hecho hace que los ácidos carboxílicos tengan un punto de ebullición bastante alto con respecto a los alcoholes de peso molecular comparable.
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Propiedades químicas de los Ácidos:
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Formación de dímeros (aumenta el p.eb.)
Dos puentes de hidrógeno |
Acidez y Basicidad de los Ácidos Carboxílicos:
Los ácidos carboxílicos tienen un pKa bajo (pH menor que 7.0) es decir son compuestos ácidos. Por lo tanto la desprotonación para dar carboxilato es relativamente fácil, mientras que la protonación es más difícil. Suelen reaccionar con bases como el hidróxido de sodio y bicarbonato de sodio para formar las sales correspondientes.
Un ácido carboxílico Una sal de ácido carboxílico
(insoluble en agua) (soluble en agua)
Los ácidos carboxílicos suelen disociarse ligeramente en soluciones acuosas para formar H3O+ y el anión carboxilato, RCOO-. Como en todo ácido, es posible definir una constante de acidez, Ka.
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Casi en la mayoría de los ácidos carboxílicos, la constante de acidez Ka es del orden de 10-5, que corresponde a un pKa de 4.72.
Preparación de los Ácidos Carboxílicos:
De entre los métodos de síntesis de ácidos carboxílicos los más frecuentes son oxidación, hidrólisis de nitrilos y reacción de reactivos de Grignard con CO2. A continuación los ilustramos en forma de esquema con un respectivo ejemplo.
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Formación de Ácidos Carboxílicos
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Método sintético |
Ejemplo
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a) Hidrólisis de otros derivados de ácidos carboxílicos
Donde X = -Cl, -OR’, -OCOR’, -NHR’.
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b) Oxidación de alquilbencenos
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c) Ruptura oxidativa de alquenos y alquinos
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d) Oxidación de alcoholes primarios o aldehídos
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e) Hidrólisis de nitrilos
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f) Transposición del ácido bencílico
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g) Síntesis malónica
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h) Reacción de Kolbe
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i) Carboxilación de reactivos organometálicos
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j) Oxidación de cetonas
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Como puede verse, hay varios métodos para la síntesis de ácidos carboxílicos por oxidación, carbonatación e hidrólisis de precursores adecuados.
A continuación veremos las reacciones que dan los ácidos carboxílicos, las cuales pueden agruparse en cinco categorías: Sustitución alfa; Descarboxilación; Desprotonación; Reducción y Sustitución nucleofílica en el acilo.
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REACCIONES DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS
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Método sintético |
Ejemplo |
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a) Desprotonación
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b) Reducción a alcoholes primarios
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c) Descarboxilación : Reacción de Hunsdiecker
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d) Obtención de Haluros de ácidos
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e) Obtención de Anhídridos carboxílicos
Anhídridos cíclicos:
Favorecido en el caso de anillos de cinco o seis miembros.
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f) Obtención de Esteres
Esteres cíclicos: (lactonas)
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g) Obtención de Amidas
Imidas:
Amidas cíclicas: (lactamas)
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h) Reacción con compuestos organometálicos
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i) Formación y reacción de dianiones de ácidos carboxílicos
Utilidad de la reacción:
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j) Bromación: Reacción de Hell-Volhard-Zelinsky
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k) Reacciones de desplazamiento de ácidos 2-bromo carboxílicos.
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Los ácidos carboxílicos se pueden identificar fácilmente por métodos espectroscópicos convencionales. Así, exhiben absorciones características en el infrarrojo en la zona de 2500 y 3300 cm-1 (debido al OH) y a entre 1710 y 1760 cm-1 (debido al grupo C=O). En la RMN de 13C, los ácidos carboxílicos también presentan absorciones en el intervalo de 165 a 185 d, y en la RMN de 1H absorben cerca de los 12 d.
A continuación se comentarán los mecanismos más significativos de las reacciones anteriormente mencionadas en las tablas.
La mayoría de los métodos para la preparación de los ácidos carboxílicos, han sido mencionados con anterioridad en los capítulos precedentes, ejemplo oxidación de alquenos y alquinos (cap. 14 y 15); oxidación de alcoholes (cap. 12); organometálicos (cap. 16), etc. Por ésto que haremos un breve comentario de los nuevos métodos aquí comentados.
Hidrólisis de Nitrilos:
El grupo funcional nitrilo R-CºN, puede ser hidrolizado con ácidos o bases fuertes en solución acuosa para dar un ácido carboxílico. El método es bueno para producir ácidos carboxílicos a partir de halogenuros de alquilo (R-X ® R-CºN ® R-COOH). La síntesis funciona mejor con halogenuros primarios, ya que puede competir con reacciones de eliminación E2 con halogenuros secundarios o terciarios.
Mecanismo de la hidrólisis: vía una formación de amida
En medio ácido:
En medio básico:
Transposición del ácido bencílico:
Consiste en un reagrupamiento de una dicetona en medio básico, tal como se muestra en el siguiente mecanismo.
1) Adición de un ion hidróxido:
2) Transposición
3) Protonación
Ejemplo:
Síntesis malónica:
Consiste en la obtención de un ácido carboxílico a partir de un malonato de etilo o metilo, en presencia de una base y un halogenuro de alquilo, con posterior tratamiento en medio ácido y calor para dar una descarboxilación. Su mecanismo se ilustra a continuación en forma resumida.
Reacción de Kolbe:
Es un caso particular en la obtención de ácidos carboxílicos, dado que conduce solamente a ácidos benzoicos orto sustituidos con hidroxilo. En la reacción de Kolbe[1], el fenóxido ataca al dióxido de carbono para dar la sal del ácido 2-hidroxibencenocarboxílico. (ácido o-hidroxibenzoico). Su mecanismo se discutirá en el capítulo de aromáticos.
Reactividad del grupo carboxilo: Mecanismo de adición-eliminación.
Aparte de sus propiedades ácido-base, los ácidos carboxílicos muestran una reactividad en su grupo carbonilo muy similar a la de los carbonilo de aldehído y cetonas. El grupo carbonílico es susceptible al ataque nucleófilo, el oxígeno puede reaccionar con electrófilos y los hidrógenos vecinos son ácidos y enolizables. El grupo hidroxilo por si mismo o modificado puede actuar como grupo saliente dando lugar a otros derivados carbonílicos. En cualquier caso los ataques nucleofílicos han de seguir uno de los dos siguientes mecanismos, según las condiciones de la reacción.
A) ADICIÓN-ELIMINACIÓN CATALIZADA POR BASES:
B) ADICIÓN-ELIMINACIÓN CATALIZADA POR ÁCIDOS:
Descarboxilación de ácidos carboxílicos: Reacción de Hunsdiecker[2]:
La reacción consiste básicamente en una oxidación. Una sal de plata del ácido carboxílico se trata con un halógeno, normalmente bromo. El bromuro de plata precipita, se desprende dióxido de carbono y se forma un bromoalcano en el que el halógeno ocupa la posición del grupo carboxilo. Esta reacción permite la conversión de la sal de un ácido carboxílico en un bromoalcano que contiene un átomo de carbono menos. El mecanismo se ilustra a continuación:
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ETAPA 1) Formación del hipobromito
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ETAPA 2) Formación del radical RCOO·
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ETAPA 3) Descomposición del radical RCOO·
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ETAPA 4) Formación del haloalcano y RCOO·
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Ejemplo:
Obtención de Haluros de ácidos a partir de ácidos carboxílicos:
Estas reacciones ocurren por un mecanismo similar al de los alcoholes al reaccionar con los reactivos de PBr3, PCl5 o SOCl2. Inicialmente se forma un derivado inorgánico del ácido, (formándose así un buen grupo saliente) susceptible de ataque nucleofílico por parte del halogenuro.
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Mecanismo de la formación del Cloruro de ácido con cloruro de tionilo (SOCl2) |
Mecanismo de la formación del Bromuro de ácido con tribromuro de fósforo (PBr3) |
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La obtención de los demás derivados de ácidos carboxílicos, Ésteres, Anhídridos y Amidas, suelen seguir uno de los dos mecanismo de adición-eliminación mencionados con anterioridad, dependiendo de las condiciones de reacción. Los ésteres por ejemplo se preparan en medio ácido, usando un ácido mineral como catalizador (sulfúrico o clorhídrico). Las amidas suelen prepararse con aminas y calentamiento.
Reacción de los Ácidos carboxílicos con compuestos organometálicos alquillitio:
Los ácidos carboxílicos con reactivos organometálicos, del tipo alquilitio dan cetonas, vía la formación del carboxilato correspondiente. A pesar de que el ataque nucleofílico sobre una especie cargada negativamente es difícil, los reactivos organolíticos pueden dar la adición nucleofílica sobre el grupo carbonilo del ion carboxilato. La reacción pasa por un intermedio del tipo dianión del diol geminal el cual es tratado con agua y la deshidratación de este da la correspondiente cetona.
Mecanismo:
Ejemplos:
Reacciones de los carbonos a, vía la formación de un dianión:
Los ácidos carboxílicos, al igual que otros compuestos carbonílicos, pueden dar iones enolatos, que participen en reacciones de sustitución nucleófila (vía ion carboxilato). Los ácidos carboxílicos en presencia de una base fuerte, como lo es el diisopropilamiduro de litio, (LDA) y un codisolvente muy polar y aprótico, como la hexametilfosfotriamida, (HMPA) pueden perder un segundo protón para dar el dianión del ácido carboxílico, que es un potente nucleófilo y que puede dar lugar a alquilaciones, apertura de oxaciclopropanos y adiciones aldólicas, entre otras reacciones.
Ejemplo: Reacciones en el carbono a del ácido 4-metilpentanoico, en presencia de una base y posteriormente un epóxido (óxido de ciclohexeno), un haluro de alquilo (Bromuro de etilo), y un cetona (3-pentanona).
Bromación de ácidos carboxílicos en el carbono a: Reacción de Hell-Volhard-Zelinsky[3]:
Los ácidos carboxílicos pueden bromarse en el carbono a, pero a diferencia de aldehídos y cetonas precisan de un catalizador especial, el fósforo. En lás condiciones de reacción el fósforo reaccionan rápidamente con el bromuro presente para dar el iniciador, PBr3 (alternativamente puede emplearse el PBr3 directamente). El mecanismo de esta reacción transcurre a través del bromuro de alcanoílo, formado por reacción del PBr3 con el ácido carboxílico, tal como se ilustra a continuación:
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ETAPA 1.- Formación del bromuro de alcanoílo
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ETAPA 2.- Enolización
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ETAPA 3.- Bromación
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ETAPA 4.- Intercambio
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Ejemplos:
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La importancia de la reacción de Hell-Volhard-Zelinsky radica en que el bromo-derivado obtenido puede dar lugar a otros derivados funcionalizados, por medio de una sustitución nucleófila.
Ejemplos: Sustitución del bromo, por -OH, -NH2 y -CN, del compuesto obtenido previamente.
a) Sustitución por -OH.
b) Sustitución por -NH2.
c) Sustitución por -CN.
A continuación se dan problemas propuestos relativos al tema. Éstos han sido tomados de libros de química orgánica como lo son el: Vollhardt, Morrison y Boyd, McMurry, otros son aportaciones personales.